Analisi di pH, ORP e DO finalizzata all'utilizzo di segnali indiretti per il monitoraggio e il controllo automatico di impianti di depurazione a fanghi attivi

Con il presente lavoro di tesi si è studiata la possibilità di estrarre informazioni sugli andamenti dei processi biologici dall’osservazione dei segnali di pH, potenziale di ossido riduzione (ORP) e ossigeno disciolto (DO) nelle vasche di processo di un impianto a fanghi attivi a flusso continuo (predenitro/nitro) per verificare la possibilità di utilizzare questo tipo di sonde per lo sviluppo di sistemi per il controllo automatico e la gestione intelligente, eventualmente remota, degli impianti di depurazione. Il lavoro di sperimentazione è stato svolto su un impianto pilota a flusso continuo con schema predenitro – nitro, costruito ed installato presso i laboratori della sede Enea di Bologna (Sezione ACS PROT IDR - Gestione Risorse Idriche). L’obiettivo primario della sperimentazione è stato quello di portare il sistema in uno stato stazionario di equilibrio, così da poter stabilire delle condizioni di funzionamento note e costanti, riscontrabili anche nei segnali di riferimento. Tali condizioni sono state definite prendendo come riferimento un impianto reale noto, funzionante in condizioni di processo costanti e medie, definendo contestualmente test sperimentali che riproducessero condizioni riscontrabili sullo stesso impianto reale. Le condizioni del sistema sono state monitorate costantemente, attraverso il monitoraggio giornaliero dei processi, effettuato con attività di campionamento e di analisi, osservando costantemente i segnali indiretti.

Life Cycle Assessment comparativo tra il processo di co-digestione della frazione organica dei rifiuti solidi urbani e dei fanghi di depurazione disidratati e il sistema di gestione attuale. Il caso di Bagnacavallo (RA)

Waste management is becoming, year after year, always more important both for the costs associated with it and for the ever increasing volumes of waste generated. The discussion on the fate of organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) leads everyday to new solutions. Many alternatives are proposed, ranging from incineration to composting passing through anaerobic digestion. “For Biogas” is a collaborative effort, between C.I.R.S.A. and R.E.S. cooperative, whose main goal is to generate “green” energy from both biowaste and sludge anaerobic co-digestion. Specifically, the project include a pilot plant receiving dewatered sludge from both urban and agro-industrial sewage (DS) and the organic fraction of MSW (in 2/1 ratio) which is digested in absence of oxygen to produce biogas and digestate. Biogas is piped to a co-generation system producing power and heat reused in the digestion process itself, making it independent from the national grid. Digestate undergoes a process of mechanical separation giving a liquid fraction, introduced in the treatment plant, and a solid fraction disposed in landfill (in future it will be further processed to obtain compost). This work analyzed and estimated the impacts generated by the pilot plant in its operative phase. Once the model was been characterized, on the basis of the CML2001 methodology, a comparison is made with the present scenario assumed for OFMSW and DS. Actual scenario treats separately the two fractions: the organic one is sent to a composting plant, while sludge is sent to landfill. Results show that the most significant difference between the two scenarios is in the GWP category as the project "For Biogas" is able to generate “zero emission” power and heat. It also generates a smaller volume of waste for disposal. In conclusion, the analysis evaluated the performance of two alternative methods of management of OFMSW and DS, highlighting that "For Biogas" project is to be preferred to the actual scenario.

Uso di modelli matematici per l'ottimizzazione dei processi e dell'efficienza energetica di un impianto di depurazione a fanghi attivi.

La tesi analizza la risposta di modello matematico biologico (ASM1) applicato ad un impianto di depurazione in scala pilota al fine di conoscere la risposta del sistema in seguito alla variazione delle condizioni iniziali e, in funzione dei risultati ottenuti, ipotizzare ed applicare diverse strategie di controllo tramite le quali ottimizzare l’efficienza dell’impianto, riducendo i costi in termini economici ed energetici e migliorando la qualità dell’effluente.

Monitoraggio e analisi di segnali ORP, pH, DO finalizzato al controllo del processo di predenitrificazione eseguito su impianto pilota a F.A.

Il lavoro sperimentale condotto nell’ambito della presente tesi è stato svolto su un impianto pilota a flusso continuo con schema predenitro/nitro in scala di laboratorio, alimentato con refluo sintetico ed installato presso i laboratori della Sezione ACS PROT IDR - Gestione Risorse Idriche dell’ENEA (sede di Bologna). Le finalità della sperimentazione erano mirate ad una verifica preliminare sull’utilizzo di segnali indiretti, quali pH, ORP, DO, nel monitoraggio in tempo reale dei processi biologici, mirata alla possibilità di implementare un sistema di controllo automatico di un impianto di depurazione, capace di minimizzare i costi di gestione e in grado di garantire, in ogni caso, elevate efficienze depurative. Nel presente studio sono stati esaminati gli aspetti metodologici e tecnologici alla base dell’automazione di un impianto di trattamento di acque reflue, avendo il duplice obiettivo di garantire una buona qualità dell’effluente e un contestuale risparmio energetico. In particolare si è studiato un problema molto diffuso: il controllo della rimozione dell’azoto in un sistema a fanghi attivi con predenitrificazione per l’ossidazione congiunta di carbonio ed azoto, ponendolo in relazione con la variazione dei tempi di commutazione in un processo SBR. L’obiettivo primario della sperimentazione effettuata è stato quello di portare il sistema in un regime di equilibrio stazionario, in modo da poter definire delle condizioni di regime per le quali, ad un ingresso costante e noto, corrispondesse un’uscita altrettanto costante che mantenesse tali condizioni fino a quando non fosse cambiato l’ingresso e/o le condizioni al contorno. A questo scopo si è provveduto, in primo luogo, allo studio di un influente sintetico con cui alimentare l’impianto, di composizione tale da simulare in tutte le sue caratteristiche un refluo civile reale e, successivamente, alla valutazione di una configurazione impiantistica idonea per il raggiungimento dell’equilibrio dei processi. La prima parte della sperimentazione è stata dedicata all’avviamento dell’impianto, effettuando un monitoraggio continuo dell’intero sistema allo scopo di impostare i parametri operativi e in modo da ottenere condizioni stabili per effettuare le successive sperimentazioni.

Dispersioni di inquinanti in acque costiere dal porto canale di Cesenatico. Modellazione e misure.

La presente dissertazione si apre con l’analisi della costa dell’Emilia Romagna, in particolare quella antistante la città di Cesenatico. Nel primo capitolo si è voluto fare un breve inquadramento delle problematiche che affliggono le acque costiere a debole ricambio. Il Mare Adriatico e in particolare le acque costiere, ormai da più di trent’anni, sono afflitti da una serie di problemi ambientali correlati all’inquinamento. Sulla costa romagnola, già verso la metà degli anni settanta, le prime estese morie di organismi viventi acquatici avevano posto sotto gli occhi dell’opinione pubblica l’insorgenza di situazioni drammatiche per l’ambiente, per la salute pubblica e per due importanti settori dell’economia regionale e nazionale quali il turismo e la pesca. Fino ad allora aveva dominato la diffusa convinzione che la diluizione nell’enorme quantità di acqua disponibile avrebbe consentito di immettere nel mare quantità crescenti di sostanze inquinanti senza intaccare in misura apprezzabile la qualità delle acque. Questa teoria si rivelò però clamorosamente errata per i mari interni con scarso ricambio di acqua (quali per esempio il Mare Adriatico), perché in essi le sostanze che entrano in mare dalla terraferma si mescolano per lungo tempo solo con un volume limitato di acqua antistante la costa. Solo se l’immissione di sostanze organiche è limitata, queste possono essere demolite agevolmente attraverso processi di autodepurazione per opera di microrganismi naturalmente presenti in mare. Una zona molto critica per questo processo è quella costiera, perché in essa si ha la transizione tra acque dolci e acque salate, che provoca la morte sia del plancton d’acqua dolce che di quello marino. Le sostanze estranee scaricate in mare giungono ad esso attraverso tre vie principali: • dalla terraferma: scarichi diretti in mare e scarichi indiretti attraverso corsi d’acqua che sfociano in mare; • da attività svolte sul mare: navigazione marittima e aerea, estrazione di materie prime dai fondali e scarico di rifiuti al largo; • dall’atmosfera: tramite venti e piogge che trasportano inquinanti provenienti da impianti e attività situati sulla terraferma. E’ evidente che gli scarichi provenienti dalla terraferma sono quelli più pericolosi per la salvaguardia delle acque costiere, in particolare vanno considerati: gli scarichi civili (enormemente accresciuti nel periodo estivo a causa del turismo), gli scarichi agricoli e gli scarichi industriali. Le sostanze estranee scaricate in mare contengono una grande abbondanza di sali nutrienti per i vegetali (in particolare nitrati e fosfati) che provengono dai concimi chimici, dai residui del trattamento biologico negli impianti di depurazione e dall’autodepurazione dei fiumi. Queste sostanze una volta giunte in mare subiscono un nuovo processo di autodepurazione che genera ulteriori quantità di nutrienti; i sali di fosforo e azoto così formati si concentrano soprattutto nelle acque basse e ferme della costa e vengono assimilati dalle alghe che possono svilupparsi in modo massivo: tale fenomeno prende il nome di eutrofizzazione. La produzione eccessiva di biomasse vegetali pone seri problemi per la balneazione in quanto può portare a colorazioni rossastre, brune, gialle o verdi delle acque; inoltre la decomposizione delle alghe impoverisce di ossigeno l’acqua, soprattutto sul fondo, provocando morie della fauna ittica. Nello specifico, in questo lavoro di tesi, si prende in considerazione il Porto Canale di Cesenatico, e come le acque da esso convogliate vadano ad influenzare il recettore finale, ovvero il Mar Adriatico. Attraverso l’uso di un particolare software, messo a mia disposizione dal D.I.C.A.M. è stata portata avanti un’analisi dettagliata, comprendente svariati parametri, quali la velocità dell’acqua, la salinità, la concentrazione dell’inquinante e la temperatura, considerando due possibili situazioni. A monte di ciò vi è stata una lunga fase preparatoria, in cui dapprima sono state recepite, attraverso una campagna di misure progettata ad hoc, ed elaborate le informazione necessarie per la compilazione del file di input; in seguito è stato necessario calibrare e tarare il programma, in quanto sono state apportate numerose variazioni di recepimento tutt’altro che immediato; dopodiché è stata introdotta la geometria rappresentante l’area presa in esame, geometria molto complessa in quanto trattasi di una zona molto ampia e non uniforme, infatti vi è la presenza di più barriere frangiflutti, sommerse ed emerse, che alterano in svariati punti la profondità del fondale. Non è stato semplice, a tal proposito, ricostruire l’area e ci si è avvalsi di una carta nautica riportante la batimetria del litorale antistante Cesenatico. Come è stato già detto, questa fase iniziale ha occupato molto tempo e si è dimostrata molto impegnativa. Non sono state comunque da meno le fasi successive. Inoltre, tale simulazione è stata effettuata su due scenari differenti, per poter valutare le differenti conclusioni alle quali essi hanno indotto. Dopo molti “tentativi”, l’eseguibile ha girato ed è arrivato al termine ricoprendo un lasso di tempo pari a ventiquattro ore. I risultati ottenuti in output, sono stati tradotti e vagliati in modo da essere graficati e resi più interpretabili. Segue infine la fase di analisi che ha portato alle deduzioni conclusive. Nei prossimi capitoli, si riporta nel dettaglio quello che in questo paragrafo è stato sinteticamente citato.

Biodegradazione di solventi clorurati in acque contaminate tramite cometabolismo aerobico: progettazione ed allestimento di prove in reattori a biomassa adesa

Lo scopo di questo lavoro è quello di sviluppare un consorzio altamente performante in grado di degradare il tricloroetilene (TCE) e l’1,1,2,2-tetracloroetano (TeCA) attraverso una degradazione aerobica cometabolica in reattori a letto impaccato (PBRs). Per questo obiettivo, sono state campionate da differenti pozzi di monitoraggio cinque acque di falda contaminate dai solventi clorurati sopra descritti e sono stati preparati 20 vial batch da 119 mL per testare differenti substrati di crescita della biomassa: metano, propano, butano, pentano. Substrato ed ossigeno sono stati periodicamenti riaggiunti. I solventi clorurati sono stati aggiunti a concentrazioni crescenti. Sono stati anche allestiti quattro reattori a colonna impaccata per testare il carrier più adatto per la biomassa selezionata. In tali reattori sono state condotte prove fluidodinamiche preliminari.

Modellazione di processo in impianti di depurazione urbana finalizzata allo sviluppo di linee guida progettuali. Simulazioni e confronti su dati HERA full - scale.

Gli impianti di depurazione rappresentano, nei contesti urbani, elementi di imprescindibile importanza nell’ambito di una corretta gestione e tutela della risorsa idrica e dell’ambiente. Il crescente grado di antropizzazione delle aree urbanizzate e parallelamente le sempre minori disponibilità in termini di spazi utilizzabili a fini depurativi comportano sempre di più la necessità di ottimizzare i processi di dimensionamento degli impianti. Inoltre, l’obiettivo di aumentare l’efficienza del ciclo depurativo andando a minimizzare i costi correlati alla gestione degli stessi indirizza verso una omogeneizzazione nei criteri di dimensionamento adottati. In questo senso, la normativa tecnica di settore risulta carente, andandosi a concentrare prevalentemente sul rispetto di fissati standard ambientali senza però fornire indicazioni precise sui criteri di progettazione da adottare per perseguire tali standard. La letteratura scientifica pur indicando range di possibili valori di riferimento da adottare, nel dimensionamento degli impianti, lascia un ampio margine di discrezionalità al progettista. La presente tesi si pone pertanto, a partire da tali valori di letteratura, di andare a definire da un lato le caratteristiche quali-quantitative del refluo in ingresso e dall’altro i valori di riferimento da adottare in sede di progettazione per perseguire gli obiettivi precedentemente indicati. La prima parte, di valenza generale, oltre alla caratterizzazione dell’influente descrive nel dettaglio le diverse fasi del processo e il loro dimensionamento che in tutte le sezioni, ad eccezione del biologico, viene effettuato attraverso equazioni semplificate mettendo a confronto e analizzando i parametri progettuali proposti da letteratura. Per quanto riguarda il comparto biologico la maggior complessità del fenomeno da descrivere rende difficile la valutazione delle grandezze che caratterizzano il funzionamento mediante l’utilizzo di equazioni semplificate. Per questo si è deciso di modellare questo comparto, unito a quello della sedimentazione, attraverso un software (WEST) che permette non solo di simulare il processo ma anche, attraverso le analisi di scenario, di determinare quelli che sono i valori progettuali puntuali che consentono di ottenere da un lato una minimizzazione dei costi dell’impianto, sia costruttivi che gestionali, e dall’altro la massimizzazione delle rese depurative. Nello specifico si è fatto riferimento ad impianto fanghi attivi a schema semplificato con potenzialità fissata pari a 10000 AE. Il confronto con i dati di esercizio di alcuni impianti di analoga tipologia ha evidenziato che una buona capacità dello strumento di modellazione utilizzato di descrivere i processi. E’ possibile quindi concludere che tali strumenti, affiancati ad una lettura critica dei risultati ottenuti possono essere ottimi strumenti di supporto sia in fase di progettazione che in prospettiva di gestione dell’impianto al fine di ottimizzare i processi e quindi i costi.

Sperimentazione di tecniche SBR nel trattamento "on site delle acque domestiche" per nuclei isolati e case sparse.

Scopo di questo lavoro di tesi è quello di sperimentare “sul campo’’ la validità e l'efficacia di tecniche SBR per il trattamento delle acque domestiche per case sparse e nuclei isolati. Tuttavia quella SBR, pur essendo una tecnica impiantistica, può soddisfare queste esigenze. Grazie alla presenza di un adeguato volume d'accumulo ed al funzionamento ciclico dell'impianto sono annullati tutti i problemi determinati, nei normali impianti in continuo, dalla discontinuità dell'afflusso di reflui (picchi di portata). L'impianto è studiato per ridurre la necessità di manutenzione al minimo: tutte le apparecchiature tecniche sono collocate in un armadio esterno all'impianto ed in vasca ci sono solo le tubazioni. Ciò esclude ogni presenza interna al serbatoio di apparecchiature elettriche e di parti in movimento soggette a usura. Il vantaggio è evidente nella semplificazione delle operazioni di gestione/controllo/manutenzione dell’impianto che non richiedono, di norma, lo svuotamento della cisterna e consentono operazioni più agevoli e sicure.Tutti i movimenti di processo sono supportati da tre sistemi Air Lift azionati da un unico compressore che provvede anche all'immissione dell'ossigeno attraverso l'aeratore tubolare a membrana nella vasca SBR. Il compressore si caratterizza per lunga vita operativa e assoluta silenziosità di funzionamento. Per verificare l’efficacia del processo depurativo indotto dall’impianto SBR installato dalla GreenSolar abbiamo fatto dei prelievi sul liquame in entrata alla camera SBR e su quello in uscita da essa. I campioni così prelevati sono stati analizzati da un laboratorio autorizzato.I valori limite imposti dal DGR n. 1053 sono ampiamente rispettati, tuttavia i risultati ottenuti non sono soddisfacenti relativamente alle potenzialità dell'impianto.

Sistemi naturali di trattamento delle acque reflue: Bacini di fitodepurazione e lagunaggio di Melendugno

trattazione dell'impianto di finissaggio di Melendugno con media-alta potenzialità

Determinazione di caffeina in acque superficiali e valutazione del bioaccumulo nei mitili

Finalità principale della Tesi è stata lo sviluppo di una linea di evidenza chimica che ha previsto la elaborazione di tre distinte procedure analitiche per la determinazione di caffeina con HPLC - MS, una delle quali messa a punto per matrici ambientali inorganiche (acque dolci e salate) e due delle quali specifiche per matrici biologiche (emolinfa e tessuti di Mytilus galloprovincialis). Esse sono state applicate a diversi casi di studio, cominciando dall’analisi di acque di mare prelevate al largo di Cesenatico (FC) e soggette in seguito ad aggiunta di varie concentrazioni di caffeina ai fini di analisi eco-tossicologiche. Le vasche, suddivise in quattro condizioni sperimentali, costituivano l’ambiente di esposizione di esemplari di Mytilus galloprovincialis, sottoposti a test con batterie di biomarker; campionando e analizzando le acque delle diverse vasche in diversi momenti nell’arco di una settimana di durata dell’esperimento, è stato possibile osservare una discrepanza significativa tra le concentrazioni predisposte e quelle effettivamente riscontrate, dovuta alla presenza di valori di fondo elevati (≈ 100 ng/l) nella matrice ambientale. Si è anche notata una cinetica di decadimento della sostanza di tipo esponenziale, più rapida dei casi di letteratura, ipotizzando che ciò avvenisse, oltre che per i normali fenomeni di termodegradazione e fotodegradazione, per l’attività di filtrazione dei molluschi. In seguito sono state raccolte aliquote di acqua presso i punti di immissione e di uscita dall’impianto di depurazione di Cervia (RA), nonchè campioni di acque superficiali, sia dolci che salate, riscontrando un ottimo abbattimento della sostanza da parte dell’impianto (≈ 99 %) e concentrazioni ambientali simili ai valori di fondo dell’esperimento (≈100 ng/l), inferiori rispetto a casi di letteratura per analoga matrice, anche a causa di intense precipitazioni atmosferiche in corrispondenza del prelievo. A suggello delle analisi relative alle acque si è provveduto ad esaminare anche acque di rubinetto, acque di rubinetto soggette a deionizzazione ed un’acqua minerale naturale imbottigliata e commercializzata, rilevando la presenza dello stimolante in ciascuno dei campioni (per ciò che concerne acque della rete idrica a valori simili a quelli ambientali, mentre per acque deionizzate ridotti di circa il 50% e per l’acqua imbottigliata testata abbattuti di oltre l’80%). Le ultime considerazioni sono state relative all’analisi di matrici biologiche mediante le procedure specificamente messe a punto; in questo caso, sia nell’emolinfa che nei tessuti prelevati dai mitili al termine dell’esperimento, si è osservato un bioaccumulo di caffeina che, per ciò che concerne la matrice fluida, è risultato correlato alla concentrazione di esposizione delle vasche, mentre relativamente ai tessuti si è evidenziato del tutto uniforme tra le condizioni sperimentali, facendo ipotizzare un bioaccumulo avvenuto nell’habitat marino, dovuto ai valori ambientali presenti.